新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统

文章编号:100021506(2003)0420006205

新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统

毛　军,薛　琳,谭忠盛

(北方交通大学土木建筑工程学院,北京100044)

摘　要:目前高速列车隧道空气动力学模型实验系统主要用于分析隧道内压力波的变化规律,

难以对空气动力学效应进行完整的分析.针对这一局限性,从科特流(Couette )理论出发,提出

了一种新型实验系统即旋转式高速列车—隧道模型实验系统,介绍了该系统的可行性、结构、

实验原理及其特点.分析表明:该新型实验系统结构简单、功能完善、成本低、实验重复性好,适

用于进行高速列车通过隧道时产生压力瞬变、微气压波、列车活塞风、行车阻力和气动噪声等

一系列空气动力学实验,并能测量隧道内和列车隧道环形空间的气流速度场,对研究高速列车

隧道空气动力学问题有重要意义.

关键词:高速列车;压力波;空气阻力;模型实验;科特流

中图分类号:U238;O357.1 文献标识码:A

A N ew Type of Model Experimental System of

Aerodynamics E ffects C aused by High 2Speed

T rains Passing Through Tunnel

M A O J un ,X U E L i n ,TA N Zhong 2sheng

(School of Civil Engineering and Architecture ,Northern Jiaotong University ,Beijing 100044,China )

Abstract :The applied model experimental system is mainly used to analyze the changing rule of

the pressure wave in tunnel ,which is one of the aerodynamics effects when high-speed trains

passing through the tunnel.It is difficult for the system to analyze the other aerodynamics ef 2

fect s.For this reason ,the paper bases on the Couette flow theory to develop a new type of experi 2

mental system ,Which is named the circular model experimental system of aerodynamics effects

caused by high-speed trains passing through tunnel ,and introduces its feasibilities ,structure ,ex 2

periment principle and specially characters.It is found that the new circular experimental system

has a simple structure ,powerful functions ,lower cost and good repetitive performance ,and can

be used for a series of aerodynamics experiments on such as the changing rule of the pressure wave

in tunnel ,micro-pressure wave ,piston wind of trains ,resistance on trains and air noise.It can

also measure the airflow velocity field in cylinder tunnel formed by the trains and tunnel.So ,it

will be of great value to the researches of the aerodynamics problems caused by high-speed trains

passing through tunnel.

K ey w ords :high-speed train ;pressure wave ;air resistance ;model experiment ;Couette flow

1　问题的提出

高速列车在通过隧道时将产生压力瞬变、微气压波、列车活塞风、行车阻力和气动噪声等一系列明显收稿日期:2003206217作者简介:毛军(1966—

),男,湖北公安人,助理研究员,硕士.em ail :junmao @ 第27卷第4期2003年8月 北　方　交　通　大　学　学　报JOURNAL OF NORTHERN J IAO TON G UN IV ERSIT Y Vol.27No.4Aug.2003

的空气动力学效应,对行车安全和乘客舒适性产生显著影响.由于问题的复杂性和客观条件的限制,模型实验成为研究这些效应的有效方法.

目前,研究高速列车空气动力学效应的实验方法主要有:

(1)水槽法　根据自由表面水波运动的波高与可压缩流体运动压力的相似关系,通过实时检测技术测定列车模型在浅水槽里拖动所激起的水波高度,以求得空气压力变化,从而实现隧道压力波变化规律的模拟.浅水槽试验装置一般由浅水槽、列车模型、轨道、波高实时测试系统等组成[1].

(2)小型列车模拟法　英国的Pope 以空气为工作介质,建造了1∶

25的大比例列车模型实验装置,模型的车速达到55m/s ,利用该模型对短隧道内压力波的传播和隧道入口微压波等进行了模拟实验.模拟实验结果与实测数据非常吻合,但模拟速度不高,整个系统的建造费用较高[2].

(3)发射式高速列车模型实验　包括橡胶弹弓式和压缩空气发射式列车实验系统,二者的动力源虽然不同,但实验原理相同,即均采用小比例模型,将列车模型在炮管内加速到实验要求的速度,模拟列车进出隧道的过程,并使用数据和图像采集系统对列车进出隧道时产生的压力波进行记录.英国的Vardy 和西南交通大学都曾采用类似实验装置进行过压力波的分析,如图1所示[3].在隧道模型上安装有压力传感器.这种装置需要另外测量列车模型通过隧道模型的速度,而且难以精确控制列车运行速度

.

图1　发射式高速列车模型试验装置示意图

以上实验系统各有特点,并以发射式模型实验系统应用较多.但它们均主要用于研究隧道内压力波的传播和变化规律,而对列车运行时的压差阻力、列车内部的压力波和噪声无法检测,因而对乘客舒适度进行分析比较困难.更不能对隧道内的流场进行全面分析.而对流场的分析,直接关系到列车空气阻力、旅客的舒适度和减缓空气动力学效应的措施.另外,对检测系统的实时要求都很高,造价比较昂贵.为此,作者提出一种新的实验系统方案,以对空气动力学效应进行较为全面的实验分析,可提高对高速列车隧道空气动力学效应的理论分析水平,为我国高速列车隧道的断面优化设计提供有价值的参考依据.

2　旋转式高速列车—隧道模型实验系统

2.1　新型实验系统的组成

新的实验系统由转速控制、旋转模型和数据采集等3部分组成,如图2所示.

(1)转速控制系统　由电动机、转速传感装置、变频调速器和减速装置组成.电机转速的最高值可以根据需要确定,例如为1500r/min ,若旋转半径为0.8m ,则相应的最高线速度可达125m/s (450km/h ).由变频调速器实现无级调速.若电机的转速控制在1200r/min ,则对应的速度为100m/s (350km/h ).转速用编码器检测,由变频调速器实现无级调速,并保证在测试过程中模型的运动速度保持恒定.

(2)旋转模型系统　由列车模型、隧道模型、旋转臂、旋转轴、密封装置、轴承座及轴承座托架组成.列车模型呈小曲率弧线体形,底部安装能够转动的车轮,与旋转臂一起模拟列车底部的挂件.列车模型做适当密封,固定联结在旋转臂上,由旋转轴带动旋转.隧道模型是略大于3/4圆周的环形段,有进口、出口和地面模拟板.隧道模型可以分成若干段,用以组合成不同的隧道长度;在进、出口各安装一个保证模型列车无阻碍通过的可垂直移动的档板,通过改变其开度来调节试验压差,模拟改变隧道的长度.内外侧隧道壁面上设有烟气进口、静压测孔、流速测量窗口和温度传感器.模型列车的内部安装车内环境压力传感器,首尾表面安装总压传感器,外壁面安装静压传感器.在隧道进口和出口处安装压力传感器和噪声传感器.列车模型旋转时,车轮并不与隧道内壁接触,而是保持很小的间隙.

(3)数据采集系统　采集的数据包括:列车进入隧道前后入口处的微压力波和噪声的数据;列车在隧道中运行时隧道内压力波的传播和变化的数据;列车在隧道中运行时的空气温度、首尾压差(计算压差阻力)、列车在隧道中运行时环形空间气流的速度分布和列车壁面静压(计算表面摩擦阻力)以及列车内部的

7第4期 毛　军等:新型高速列车隧道空气动力学模型实验系统